【正文】 緩存 ,同時按照設(shè)計的異步串行通信字符格式將數(shù)據(jù)串行發(fā)送。用 4 倍波特率作為接收采樣時鐘 ,并把第 8 個采樣值作為接收數(shù)據(jù)。如圖 所示。以一個字符為單位傳送 ,需要 CPU 與上位機(jī)之間事先必須約定字符格式和波特率。本系統(tǒng)是基于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒速調(diào)節(jié)而進(jìn)行設(shè)計的。 慕齪 慕齪慕齪 慕齪 7慕齪 3. 系統(tǒng) 整體結(jié)構(gòu) 慕齪 系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu) 慕齪 FPGA 芯片為控制核心 ,通過按鍵或上位機(jī)設(shè)定電機(jī)速度和 PWM 占空比 ,由 FPGA 的I/O 口控制直流電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動。正如前面已經(jīng)說過，直流發(fā)電機(jī)由原動機(jī)拖動，輸入的是機(jī)械能，輸出的是電能；直流電動機(jī)則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機(jī)械能。這就是直流電動機(jī)的基本工作原理?？梢姡瑩Q向器和電刷是直流電機(jī)中不可缺少的關(guān)鍵性部件。換向器和電刷就是完成這個任務(wù)的裝置?？梢?，分別處在 N、 S 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了，通過齒輪或皮帶等機(jī)構(gòu)的傳動，便可以帶動其它工作機(jī) 械。線圈轉(zhuǎn)過半州之后，雖然 ab 與 cd 的位置調(diào)換了， ab 邊轉(zhuǎn)到 S 極范圍內(nèi)， cd 邊轉(zhuǎn)到 N 極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到 N 極下的 cd 邊中電流方向也變了，是從 d 流向 c，在S 極下的 ab 邊中的電流則是從 b 流向 a。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針方向轉(zhuǎn)動了。根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動機(jī)左手定則判斷， ab 邊受力的方向是向左，而 cd 邊則是向右。i 慕齪 力的方向用左手定則確定，如 ： 慕齪 慕齪 從圖上可以看出，電刷 A 是正電位， B 是負(fù)電位，在 N 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體 ab 中的電流是從 a 流向 b，在 S 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體 cd 中的電流是從 c 流向 d。載流導(dǎo)體在磁場中將會受到力的作用，若磁場與載流導(dǎo)體互相垂直，作用在導(dǎo)體上的電磁力大小為： f = B但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動機(jī)的應(yīng)用目前仍然占有較大的比重。 慕齪 但直流電機(jī)也有它顯著的缺點(diǎn)：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運(yùn)行的時候由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，所以可靠性比較差，維護(hù)比較困難。直流電動機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。第五章 介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計及其仿真 。 第三章介紹了本次主要系統(tǒng)整體 結(jié)構(gòu)及模塊設(shè)計 。第一章緒論，分析了研究意義，提出了設(shè)計基于 FPGA 的直流電機(jī)控制，并且對研究的內(nèi)容進(jìn)行分析。 慕齪 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)（論文） 慕齪 慕齪 慕齪 3 慕齪 論文章節(jié)安排 慕齪 根據(jù)直流電機(jī)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對直流電機(jī)控制的研究已經(jīng)逐漸成熟，對其結(jié)構(gòu)也已逐步掌握，因此我們在基于現(xiàn)場可編程芯片來完成對直流電機(jī)控制，也符合我們本次選題的要求。我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流電機(jī)控制裝置依靠進(jìn)口。隨著現(xiàn)在科技的迅速發(fā)展，直流電機(jī)控制的科技裝置具有便于啟動、停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和測速等優(yōu)點(diǎn)， 使 的直流電機(jī)在人們生活中的應(yīng)用越來越廣泛。這使直流電機(jī)控制系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。由于 直流電機(jī) 具有較佳的性能價格比 ,所以在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。采用 這種 控制 系統(tǒng) 后 ,整個 電機(jī)控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 向數(shù)字化方向發(fā)展 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,可靠性高 ,操作維護(hù)方便 ,電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平。直流 電機(jī)控制 裝置作為最新控制水平的傳動方式 更顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢。最近幾年來，由于直流電機(jī)的優(yōu)秀性能，人們采用 FPGA 等各種可編程硬件為基礎(chǔ)，可以大幅度提高邏輯系統(tǒng)的精確度和系統(tǒng)可靠性。而直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。針對以上情況，本課題提出基于現(xiàn)場可編程門陣列（ FPGA）的直流電機(jī) PWM控制系統(tǒng)設(shè)計?，F(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)器件集成度高、體積小、速度快，以硬件電路 實(shí)現(xiàn)算法程序，將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，從而降低了功耗，提高了可靠性。因此我們必須尋找新的電機(jī)控制器來適應(yīng)時代的發(fā)展。在日常生活中的家用電器，隨處可見各種各樣的電機(jī)，如汽車、電視機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等等家用電器。當(dāng)線性計數(shù)器計數(shù)值小于設(shè)定值時輸出低電平 ,大于設(shè)定值時輸出高電平，而且通過總線數(shù)據(jù)或按鍵控制在系統(tǒng)調(diào)整脈寬數(shù)及數(shù)字比較器的設(shè)定值 ,從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速、波動性等參數(shù)的靈活控制。本課題研究的基于 FPGA 的小容量的直流電動機(jī)的 PWM 制動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的方法產(chǎn)生 PWM 信號電路比較復(fù)雜，數(shù)字 PWM 控制只需一個 FPGA 中的內(nèi)部資源就可以實(shí)現(xiàn)，而本次設(shè)計介紹了一種用單片大規(guī)模 FPGA 實(shí)現(xiàn)的 PWM 發(fā)生的直流電機(jī)控制器 ,其中產(chǎn)生的 PWM 波具有脈沖中心對稱、 PWM 周期和死區(qū)時間可編程等特點(diǎn) ,且性能優(yōu)異 ,靈活性和可靠性高 ,同時 ,加入了串行通信接口 ,方便加入上位機(jī)控制功能。拖動生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電機(jī)稱為電動機(jī)，作為電源，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的電機(jī)稱為發(fā)電機(jī)。同時，控制系統(tǒng)中引入上位機(jī)控制功能，可方便對電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。慕齪 慕齪 慕齪 畢業(yè)設(shè)計（論文） 慕齪 題目 ： 基于 FPGA 的直流電機(jī)的 PWM 控制系統(tǒng)設(shè)計 慕齪 學(xué) 院： 電子信息工程學(xué)院 慕齪 專 業(yè)： 通 信 技 術(shù) 慕齪 班 級： 通信 122班 慕齪 姓 名： 康 建 明 慕齪 學(xué) 號： 202010602214 慕齪 指導(dǎo)教師（副教授） 周 彬 慕齪 日 期： 2020 年 3月 15日 慕齪 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)（論文） 慕齪 慕齪 慕齪 摘要 慕齪 利用 FPGA 可編程芯片及 VHDL 語言實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī) PWM 控制器的設(shè)計， 熟悉直流電機(jī)的工作原理及特性，對直流電機(jī)啟動停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及速度的測量進(jìn)行控制。介紹了用 VHDL 語言編程實(shí)現(xiàn)直流電機(jī) PWM 控制器的 PWM 產(chǎn)生模塊、串口通信模塊、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)模塊等功能，該系統(tǒng)無須外接 D/A 轉(zhuǎn)換器及模擬比較器結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，有廣泛的應(yīng)用前景。 慕齪 關(guān)鍵詞 ： FPGA 可編程門陣列； Quartus II ； PWM；直流電機(jī) 慕齪慕齪 慕齪 II慕齪 Abstract 慕齪 A new design of DC motor PWM controller based on FPGA and Understand the working principle and characteristics of dc motor ,Start stop forward inversion and the speed of a dc motor measurement control ， The PWM create module, the serial munication module and the steering unit have been implemented in and chip． With the characteristics of simple structure precisecontrol and no exterior DAC． The new control system call be widely used． And the puter station control is introduced． 慕齪 Key Words： Field programmable able gate array； Quartus II ； PWM； DC motor慕齪 慕齪慕齪 慕齪 1慕齪 1. 緒論 慕齪 課題的來源 慕齪 電機(jī)是電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的統(tǒng)稱，是一實(shí)現(xiàn)機(jī)電能轉(zhuǎn)換的電磁裝置。由于電流有交直流之分，所以電機(jī)也就有交流電機(jī)和直流電機(jī)兩大類，在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由于直流電機(jī)具有良好的啟動，停止和速度控制測速等良好性能，直流電機(jī)技術(shù)已廣泛運(yùn)用于各個行業(yè)。用數(shù)字比較器代替模擬比較器 ,數(shù)字比較器的一端接設(shè)定值計數(shù)器的輸出 ,另一端接線性遞增計數(shù)器輸出。 慕齪 直流電動機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，具 有良好的啟動停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及便于測速等特性，在國民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用。同時，在越來越多的應(yīng)用場合，普通的電機(jī)己無法滿足要求，而是要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟?；蚍崔D(zhuǎn)以及準(zhǔn)確測速等功能。 慕齪 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用基于現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA 的數(shù)字電子系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制，為實(shí)現(xiàn)電動機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。尤其是硬件描述語言的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電路原理圖設(shè)計系統(tǒng)工程的諸多不便。 慕齪 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)（論文） 慕齪 慕齪 慕齪 2 慕齪 本課題的目的及意義 慕齪 隨著現(xiàn)代化步伐的邁進(jìn)，人們對自動化的需求越來越高，使電動機(jī)控制向更復(fù)雜的方向發(fā)展。它過載能力大 ,能承受 頻繁的沖擊負(fù)載 ,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動、反轉(zhuǎn)和測速能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。 慕齪 本課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 慕齪 從 80 年代中后期起 ,世界各大電氣公司都在競相開發(fā) 直流電機(jī) 裝置 ， 當(dāng) 直流電機(jī)的控制 發(fā)展到一個很高的技術(shù)水平 ， 使數(shù)字式直流調(diào)速裝置具有很高的精度、優(yōu)良的控制性能和強(qiáng)大的抗干擾能力 , 在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。 直流電機(jī)控制系統(tǒng) 不斷推 陳出新 ,為工程應(yīng)用提供了優(yōu)越的條件。制動和反轉(zhuǎn) ,能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。 慕齪 在國內(nèi)，從 20世紀(jì) 60年代初初步實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)在工業(yè)中的使用。目前，直流電機(jī)控制系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。又因?yàn)槲覈绷麟姍C(jī)控制也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡稱 PWM）方向發(fā)展。但由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)數(shù)字控制直流電機(jī)裝置 的發(fā)展空間。本文共包括六章內(nèi)容。第二章首先闡述直流電機(jī)的 基本知識。第四章設(shè)系統(tǒng)電路設(shè)計 。 慕齪 慕齪慕齪 慕齪 4慕齪 2. 直流電機(jī)的基本知識 慕齪 直流電機(jī)的基本情況 慕齪 直流電動機(jī)與交流電動機(jī)相比較，具有良好的調(diào)速性能和啟動性能。而直流發(fā)電機(jī)則能提供無脈動的大功率的直流電源，且輸出的電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中己被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。 慕齪 直流電動機(jī)的工作原理 慕齪 電流產(chǎn)生磁場原理的變形（電流產(chǎn)生磁場），一個通電線圈相當(dāng)于一個具有 NS極的磁體，形成電磁力。l前面已經(jīng)說過，載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，因此， ab 和 cd 兩導(dǎo)體都要受到電磁力蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)（論文） 慕齪 慕齪 慕齪 5 慕齪 Fde 的作用。由于磁場是均勻的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以， ab 邊和 cd 邊所受電磁力的大小相等。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時，線圈中的電流 等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。因此，電磁力 Fdc 的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉(zhuǎn)動。 慕齪 從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵問題是當(dāng)導(dǎo)體從一個磁極范圍內(nèi)轉(zhuǎn)到另一個異性磁極范圍內(nèi)時（也就是導(dǎo)體經(jīng)過中性面后），導(dǎo)體中電流的方向也要同時改變。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器和電刷的任務(wù)是把線圈中的交流電變?yōu)橹绷麟娤蛲廨敵觯欢谥绷麟妱訖C(jī)中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電。 慕齪 當(dāng)然，在實(shí)際的直流電動機(jī)中，也不只有一個線圈，而是有許多個線圈牢固地嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，當(dāng)導(dǎo)體中通過 電流、在磁場中因受力而轉(zhuǎn)動，就帶動整個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 慕齪 比較直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能量形式不同的。 慕齪 直流電機(jī)工作原理圖： 慕齪 蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)（論文） 慕齪 慕齪 慕齪 6 慕齪 慕齪 圖 直流電動機(jī)工作原理 慕齪 本章小結(jié) 慕齪 本章簡單介紹了直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對直流電機(jī)有了一定的了解，在下面對直流電機(jī) PWM 控制設(shè)計中起到鋪墊作用。轉(zhuǎn)速的測量由碼盤完成 ,速度顯示數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。 如圖 所示， 系統(tǒng)分以下幾個 模塊 :轉(zhuǎn)速控制 模塊 ,PWM 信號產(chǎn)生模塊 ,速度檢測模塊 ,電機(jī)正反轉(zhuǎn)模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速采集模塊 慕齪 轉(zhuǎn) 速 控 制 模 塊 P W M 信 號 產(chǎn) 生 模 塊電 機(jī) 正 反 轉(zhuǎn) 模 塊 速 度 計 量 模 塊鍵 盤 電 路電 源 模 塊串 口 通 信電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 采 集 模 塊驅(qū) 動 電 路 顯 示 模 塊直 流 電 機(jī)F P G A慕齪 圖 基于 FPGA直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖 慕齪 串口通信 慕齪 本設(shè)計中采取異步串行通信。設(shè)計采用固定的字符傳輸格式 :一位起始位 ,8 位數(shù)據(jù)